2025 年大学智能采矿技术(采矿系统设计)试题及答案

2025年大学智能采矿技术(采矿系统设计)试题及答案一、填空题（每空1分，共10分）智能采矿系统设计以工业互联网为核心技术底座，其标准架构由下至上依次分为感知层、______、平台层、______。智能综采工作面采煤机自主定位的主流融合方案为______与激光SLAM组合，定位精度需达到______cm以内以满足跟机自动化控制要求。地下金属矿智能崩落法采矿系统设计中，出矿环节智能铲运机的核心管控指标为出矿量与______，用于动态调控采矿的______指标。智能通风系统设计的核心优化目标为：在满足各用风点风量、风速合规要求的前提下，实现______最小化与通风故障的______。智能采矿应急救援系统设计中，需实现人员定位、______、视频监控三类数据的联动分析，灾变情况下人员疏散路径的更新延迟需不高于______s。二、单项选择题（每题2分，共20分）下列不属于智能采矿系统设计核心要素的是（）A.智能装备选型B.通风系统人工巡检制度C.数字孪生模型构建D.管控平台功能设计智能综采工作面液压支架跟机自动化控制的核心触发数据源是（）A.刮板输送机电流B.采煤机位置与姿态数据C.工作面瓦斯浓度D.液压支架压力数据地下金属矿智能充填采矿系统设计中，充填质量智能调控的核心检测参数不包括（）A.充填体强度B.充填料浆浓度C.充填管路压力D.井下涌水量下列关于智能采矿系统网络传输设计要求的说法，错误的是（）A.采掘工作面5G网络下行速率不低于1GbpsB.人员定位系统数据传输延迟不高于100msC.瓦斯监测数据传输优先级低于视频监控数据D.主干网络需采用环网冗余设计基于数字孪生的采矿系统设计中，下列哪项不属于生产流程孪生的应用场景（）A.采掘计划模拟优化B.通风网络动态调风模拟C.地质构造超前预判D.应急疏散路径推演智能露天矿采矿系统设计中，卡车智能调度的核心优化目标是（）A.卡车行驶速度最大化B.采掘设备与运输设备匹配效率最优C.运输路线最短化D.卡车空载率为0下列哪项技术不属于智能采矿感知层设计的常用技术（）A.物联网RFID技术B.三维激光扫描技术C.边缘计算技术D.瓦斯传感器电化学检测技术智能采矿系统设计中，下列关于透明地质模型的说法正确的是（）A.透明地质模型一旦构建完成无需更新B.透明地质模型精度需达到米级以满足采掘要求C.透明地质模型可融合钻探、物探、采掘揭露等多源数据D.透明地质模型仅适用于地下煤矿开采设计智能采矿系统安全设计中，下列哪项不属于本质安全设计范畴（）A.电气设备防爆设计B.智能装备防撞预警设计C.安全事故事后调查机制设计D.人员违章行为AI识别设计2025年我国智能采矿系统设计的主流技术路线中，处于核心支撑地位的是（）A.虚拟现实技术B.工业互联网+数字孪生技术C.区块链技术D.元宇宙技术三、简答题（每题6分，共30分）简述智能采矿系统设计的基本流程与核心内容。简述智能综采工作面系统设计中“三机协同”控制的实现逻辑与关键技术。简述地下金属矿智能充填采矿系统设计的核心管控指标与实现路径。简述智能采矿系统设计中数字孪生模型的构建要求与典型应用场景。简述智能露天矿智能调度系统设计的核心功能与设计原则。四、计算题（每题10分，共20分）某大型煤矿智能综采工作面设计参数如下：工作面走向长度3000m，倾斜长度280m，煤层平均厚度4.2m，煤层视密度1.38t/m³；采用双向割煤工艺，采煤机平均割煤牵引速度为7m/min，截深0.8m，每完成1个双向割煤循环的辅助作业时间（含进刀、调斜、设备常规检查）为28min；工作面每日安排3个生产班，每班纯生产时间为6.5h；工作面回采率为97%。请完成以下计算：（1）计算该工作面的日循环数与日推进度；（2）计算该工作面的年设计生产能力（年生产天数按330d计算）；（3）若该矿下达的工作面年产能指标为900万吨，验证是否满足要求，若需进一步提效，提出2项基于智能采矿技术的优化措施。某地下金属矿设计智能通风系统，已知矿井总需风量为180m³/s，通风网络总阻力为2800Pa，原通风系统采用3台同型号主通风机并联运行，风机效率为72%，电机效率为94%，年运行时间为365天，每天24小时，电价为0.65元/kWh。智能通风系统改造后，采用变频调速与动态调风技术，风机平均运行效率提升至82%，电机效率提升至96%，且可根据生产动态调整总风量，平均总风量降至150m³/s，总阻力降至2200Pa。请计算：（1）改造前的年通风电耗与年电费；（2）改造后的年通风电耗与年电费；（3）计算智能改造的年节电率与静态投资回收期（若改造总投资为1200万元）。五、案例分析题（共20分）背景：某铜业公司下属地下金属矿，开采深度为-800m至-1200m，设计年生产能力为300万吨，采用上向水平分层充填采矿法，现有采掘、运输、通风、充填等系统均为传统人工操控模式，存在人员效率低、安全风险高、充填质量波动大、通风能耗高等问题。2025年该矿计划开展智能采矿系统设计，总体目标为实现“机械化换人、自动化减人、智能化无人”，采掘效率提升20%，通风能耗降低30%，充填体强度合格率提升至95%以上，井下作业人员减少40%。

请结合上述背景，完成以下设计任务：（1）画出该矿智能采矿系统的总体架构图，并说明各层级的核心功能；（8分）（2）针对该矿上向水平分层充填采矿法的工艺特点，设计智能采掘与充填子系统的核心功能与关键装备配置；（8分）（3）从技术可行性与经济效益角度，简述该智能采矿系统设计的核心保障措施。（4分）参考答案一、填空题答案（每空1分，共10分）网络传输层、应用层惯性导航、±5出矿品位、贫化损失通风能耗、动态预判环境监测（或监测监控）、10二、单项选择题答案（每题2分，共20分）B2.B3.D4.C5.C6.B7.C8.C9.C10.B三、简答题答案（每题6分，共30分）智能采矿系统设计的基本流程分为4个阶段，核心内容如下：（1）需求分析与调研阶段（1.5分）：明确矿山生产规模、开采技术条件、灾害类型、智能化建设目标与投资预算，全面调研现有生产系统、装备水平、数据基础与人员能力，形成需求规格说明书。（2）总体架构设计阶段（1.5分）：确定系统技术路线与层级架构，制定数据标准、接口规范与安全体系，划分核心功能模块，明确各子系统的建设边界与协同逻辑。（3）分项系统详细设计阶段（1.5分）：完成智能采掘、智能运输、智能通风、安全管控、数字孪生等子系统的装备选型、网络布局、功能设计与数据库设计，形成详细设计图纸与技术文档。（4）仿真验证与优化阶段（1.5分）：通过数值模拟、数字孪生仿真验证系统的可行性与匹配性，开展现场工业试验，根据试验结果迭代优化设计参数，确保系统满足生产要求。智能综采工作面“三机”特指采煤机、液压支架、刮板输送机（1分），其协同控制的实现逻辑与关键技术如下：（1）实现逻辑（2分）：以采煤机的实时位置、姿态、截割参数为核心触发源，结合刮板输送机的运行电流、链条张力、弯曲度等状态数据，联动控制液压支架完成降架、移架、升架、推溜等动作，实现工作面连续、稳定的自动化开采，同时根据工作面地质条件动态调整协同控制参数。（2）关键技术（3分，答出任意3项即可得满分）：①采煤机高精度组合定位技术（惯性导航+激光SLAM/视觉融合）；②液压支架电液比例控制技术；③多源异构数据融合与协同决策技术；④工作面姿态自适应调整技术；⑤刮板输送机动态调直技术。地下金属矿智能充填采矿系统设计的核心管控指标与实现路径如下：（1）核心管控指标（2分，答出任意3项即可得满分）：充填体强度合格率、充填料浆浓度稳定性、灰砂比控制精度、充填站单位能耗、充填管路磨损率、采空区充填饱满度。（2）实现路径（4分，每点1分）：①感知层配置料浆浓度、流量、压力、液位在线检测装置，以及充填体强度无损检测设备，实现充填全流程参数实时采集；②建立充填配比智能优化模型，结合不同采场的地质条件、充填强度要求，动态调整灰砂比、料浆浓度与外加剂掺量；③搭建充填智能管控平台，实现充填站远程一键启停、异常状态自动预警、充填数据全流程追溯与报表自动生成；④融合井下微震、应力监测、钻孔电视等数据，验证充填体质量与采场稳定性，反向优化充填设计参数。智能采矿系统设计中数字孪生模型的构建要求与典型应用场景如下：（1）构建要求（4分，每点1分）：①多源数据融合：融合地质钻探、物探、采掘揭露、装备运行、生产管理等多维度数据，确保模型数据的全面性；②高保真度：几何、物理、行为、规则四层模型精度满足生产管控需求，其中地质模型精度不低于0.5m，装备模型精度不低于0.1m；③实时双向映射：模型数据更新延迟不高于1s，实现物理实体与孪生体的实时联动与双向交互；④可扩展性：支持不同开采阶段、不同系统模块的模型迭代与接入，适配矿山生产规模的变化。（2）典型应用场景（2分，答出任意3项即可得满分）：采掘计划模拟优化、生产过程实时监控、灾变应急疏散推演、设备故障预测性维护、人员安全轨迹管控、通风网络动态调风模拟。智能露天矿智能调度系统设计的核心功能与设计原则如下：（1）核心功能（4分，每点1分）：①设备实时定位与状态监控：实现电铲、卡车、钻机、辅助设备的实时定位、运行参数采集与故障预警；②动态匹配调度：基于日/班生产计划，结合采掘位置、矿石品位、卸点状态，动态分配卡车运输任务，实现采掘设备与运输设备的最优匹配；③运输路径规划：结合道路状况、设备位置，智能规划最优运输路径，实现会车避让、超速预警与防撞管控；④生产数据统计分析：自动生成产量、运量、设备效率、能耗等生产报表，支撑管理决策。（2）设计原则（2分，答出任意2项即可得满分）：①效率优先原则：以提升设备综合效率、降低运输成本为核心目标，优化调度逻辑；②安全可靠原则：具备恶劣天气应急调度、设备故障应急调度、人员违章预警等功能，保障生产安全；③可扩展原则：支持后续新增设备、开采范围扩大后的系统接入与功能迭代；④兼容性原则：支持与GPS/北斗定位、5G通信、生产管理系统等多系统的对接。四、计算题答案（每题10分，共20分）解：（1）日循环数与日推进度计算单刀割煤时间=工作面倾斜长度÷割煤牵引速度=280m÷7m/min=40min（1分）1个双向割煤循环的割煤总时间=40min×2=80min单循环总时间=割煤时间+辅助作业时间=80min+28min=108min=1.8h（1分）每日纯生产时间=3班×6.5h/班=19.5h日循环数=每日纯生产时间÷单循环总时间=19.5h÷1.8h/循环≈10.83个（1分）每循环推进距离=2×截深=2×0.8m=1.6m日推进度=日循环数×每循环推进距离=10.83×1.6m≈17.33m（1分）（2）年设计生产能力计算日生产能力=倾斜长度×日推进度×煤层厚度×视密度×回采率（1分）代入数值：日产量=280m×17.33m×4.2m×1.38t/m³×0.97≈27277.6t/d≈2.728万t/d（1分）年生产能力=年生产天数×日产量=330d×2.728万t/d≈899.24万吨（1分）（3）产能验证与优化措施该工作面年设计生产能力约为899.24万吨，与900万吨的指标基本持平，略低于目标值，需通过智能优化措施确保产能达标（1分）。智能优化措施（2分，答出任意2项即可得满分）：①采用基于数字孪生的采煤机截割路径优化技术，减少辅助作业时间，提升有效割煤时长；②配置工作面自动调直与跟机速度自适应控制系统，提升牵引速度稳定性，降低故障停机率；③采用智能生产调度系统，优化班中餐、设备点检等生产组织，提升纯生产时间占比。解：通风机电机输入功率计算公式为：Pe=Q×H1000×ηf×η（1）改造前年通风电耗与年电费改造前参数：Q1=180m³/s，H1=2800Pa，ηf1=72改造后参数：Q2=150m³/s，H2=2200Pa，ηf2=82年节电量=652.34-367.23=285.11万kWh

年节电率=（年节电量÷改造前年电耗）×100%=（285.11÷652.34）×100%≈43.7%（1分）

年节约电费=424.02-238.70=185.32万元

静态投资回收期=总投资÷年节约电费=1200万元÷185.32万元/年≈6.48年（1分）五、案例分析题答案（共20分）（1）该矿智能采矿系统采用工业互联网四层架构，从下到上依次为感知层、网络传输层、平台层、应用层，架构可用层级结构表示为：感知层→网络传输层→平台层→应用层。各层级核心功能（8分，每层级2分）：①感知层：作为系统的数据来源，通过各类传感器、定位设备、三维扫描设备、智能仪表等，实现地质参数、装备运行状态、环境参数、人员位置、生产数据的全面采集，为上层系统提供准确的基础数据。②网络传输层：采用“5G+千兆工业环网+WiFi6”的混合网络架构，实现井下全区域的网络覆盖，保障感知层数据的实时、稳定、安全传输，其中安全监测数据采用优先传输机制，延迟不高于100ms。③平台层：作为系统的核心支撑，包含工业互联网平台、数字孪生平台、数据中台与人工智能中台，实现多源数据的融合存储、治理分析、模型训练与孪生建模，为上层应用提供技术支撑与数据服务。④应用层：面向矿山生产与管理需求，构建智能采掘、智能运输、智能通风、智能充填、安全管控、生产调度、运营管理等子系统，实现全流程的智能化管控与决策优化。（2）针对上向水平分层充填采矿法的工艺特点，智能采掘与充填子系统的核心功能与装备配置如下（8分，采掘子系统4分，充填子系统4分）：①智能采掘子系统核心功能（2分）：实现